Implementação de um controlador proporcional integral derivativo via arduino para a limitação da potência de um motor elétrico sem escovas no contexto de aerodesign

dc.contributor.advisor1Kato, Edilson Reis Rodrigues
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8517698122676145
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8347-7442
dc.contributor.authorRafael, Yurieh Luigi de Souza
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/9085290178486858
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0007-3304-6979
dc.date.accessioned2026-10-05T17:02:07Z
dc.date.issued2025-12-03
dc.description.abstractThis work presents the development and validation of an embedded control system designed for the active limitation of electrical power in brushless motors used in aircraft participating in the SAE Brazil Aerodesign competition. The project aimed to design and implement a proportional–integral–derivative (PID) controller capable of maintaining the instantaneous motor power within the limit imposed by the regulations, ensuring stability, efficiency, and compliance under real operating conditions. The proposed approach was based on a hybrid tuning methodology that combines the analytical Root Locus method—used to define the desired system dynamics—with the empirical Ziegler–Nichols method, applied to refine the controller gains. This approach allowed the combination of theoretical rigor and experimental adjustment, resulting in a control system adapted to the actual characteristics of the electrical plant and to the temporal and computational constraints of the embedded platform. The system hardware was implemented on the Arduino Nano platform, integrating analog current and voltage sensors (ACS758 and a calibrated resistive divider), responsible for measuring the electrical variables that compose the instantaneous power. From these readings, the PID controller acts on the command signal sent to the electronic speed controller (ESC), regulating the power delivered to the motor in real time. Bench tests demonstrated the stable operation of the system and confirmed that the designed controller is capable of limiting the electrical power within the specified reference value, even underload variations and battery voltage fluctuations. It was verified that the algorithm presents a smooth, coherent, and numerically stable response, complying with the discretization criteria and PWM communication constraints of the embedded setup. The obtained results confirm the technical feasibility of applying discrete PID controllers in embedded electric propulsion systems, provided that fundamental aspects of discretization, filtering, and electrical integrity are observed. The integration of mathematical modeling, experimental testing, and iterative tuning proved to be an efficient strategy for developing control systems under dynamic uncertainties.eng
dc.description.resumoEste trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de um sistema de controle embarcado voltado à limitação ativa da potência elétrica em motores brushless utilizados em aeronaves da competição SAE Brasil Aerodesign. O projeto teve como objetivo conceber e implementar um controlador proporcional–integral–derivativo (PID) capaz de manter a potência instantânea do motor dentro do limite imposto pelo regulamento, assegurando estabilidade, eficiência e conformidade em condições reais de operação. A proposta fundamentou-se em uma metodologia híbrida de sintonia, que combina o método analítico do Lugar das Raízes — empregado na definição da dinâmica desejada do sistema — com o método empírico de Ziegler–Nichols, utilizado para o refinamento dos ganhos do controlador. Essa abordagem possibilitou conciliar rigor teórico e ajuste experimental, resultando em um sistema de controle adaptado às características reais da planta elétrica e às restrições temporais e computacionais da plataforma embarcada. O hardware do sistema foi implementado sobre a plataforma Arduino Nano, integrando sensores analógicos de corrente e tensão (ACS758 e divisor resistivo calibrado), responsáveis pela medição das variáveis elétricas que compõem a potência instantânea. A partir dessas leituras, o controlador PID atua sobre o sinal de comando enviado ao controlador eletrônico de velocidade (ESC), regulando a potência entregue ao motor em tempo real. Os testes de bancada demonstraram o funcionamento estável do sistema e confirmaram que o controlador projetado é capaz de limitar a potência elétrica dentro do valor de referência estipulado, mesmo sob variações de carga e flutuações de tensão da bateria. Verificou-se que o algoritmo apresenta resposta suave, coerente e numericamente estável, atendendo aos critérios de discretização e às limitações de comunicação PWM do conjunto embarcado. Os resultados obtidos comprovam a viabilidade técnica da aplicação de controladores PID discretos em sistemas de propulsão elétrica embarcados, desde que observados aspectos fundamentais de discretização, filtragem e integridade elétrica. A integração entre modelagem matemática, testes experimentais e ajustes iterativos mostrou-se uma estratégia eficiente para o desenvolvimento de sistemas de controle sob incertezas dinâmicas.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamento
dc.identifier.citationRAFAEL, Yurieh Luigi de Souza. Implementação de um controlador proporcional integral derivativo via arduino para a limitação da potência de um motor elétrico sem escovas no contexto de aerodesign. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Física) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2025. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.14289/24791.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24791
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.courseEngenharia Física - EFi
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectControle PIDpor
dc.subjectSistemas embarcadospor
dc.subjectLimitação de potênciapor
dc.subjectSAE Brasilpor
dc.subjectAerodesigneng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAO
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleImplementação de um controlador proporcional integral derivativo via arduino para a limitação da potência de um motor elétrico sem escovas no contexto de aerodesignpor
dc.title.alternativeImplementation of an arduino based proportional integral derivative controller for power limiting a brushless electric motor in the context of aerodesigneng
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